Článek
Všechny letos udělované prestižní vědecké ceny Nadačního fondu Neuron mířily k jednotlivcům – až na jednu. Cenu za „propojení vědy a byznysu“ získal totiž tým ze společnosti Pinflow Energy Storage: Juraj Kosek, Petr Mazur, Jaromír Pocedič a Jiří Vrána.
Jejich firma vznikla na půdě dvou vysokých škol (VŠCHT Praha a Západočeské univerzity) a zabývá se problémem, který Evropu v poslední době pálí mnohem více, než by si přála: jak levně ukládat elektrickou energii v době přebytku do chvil nedostatku.
Jak přesně chce firma problém řešit, co slibuje a jak daleko po své byznysové cestě Pinflow došla, vysvětluje jeden se spoluzakladatelů společnosti Jiří Vrána.
Zprávy o „nových, lepších bateriích“ se objevují každou chvíli. V čem je nová ta vaše?
Ona v mnoha ohledech nová není. Princip se zkoumá už desítky let, my jsme ho jen vylepšili v některých ohledech. Ovšem stejné baterie se zkoumaly a zkoumají ve Spojených státech či v Asii, třeba v Číně.
V čem ten společný princip tedy spočívá? Jak taková baterie vypadá?
Ona se od běžných baterií v zásadě příliš neliší. Základem jsou dvě membránou oddělené elektrody, přes které protéká kapalný elektrolyt. Mezi elektrolyty probíhá výměna iontů v elektrolytu, a tak se baterie nabíjí, či vybíjí. Důležité ovšem je, že celá konstrukce je velmi jednoduchá.
Elektrolyt je kapalina - používají se různé druhy - kterou lze dobře skladovat v nádržích. Baterie lze jednoduše zvětšovat přímo tam, kde stojí. Čím větší je nádrž a tedy objem elektrolytu, tím větší je kapacita baterie.
Říkám stojí, protože hlavní použití bude právě pro baterie, které někde stojí na místě a dodávají elektřinu třeba do sítě nebo pro nějaké zařízení. Do elektromobilů se nehodí. Třeba proto, že jsou poměrně velké. Dnes platí, že na uložení jedné kilowatthodiny je zapotřebí 50 litrů elektrolytu.
Takže pro baterii, která by měla stejnou kapacitu jako u elektromobilu, jsou zapotřebí tisíce litrů elektrolytu, počítám správně?
Ano. Zato získáte spoustu jiných výhod. Celé řešení je například na rozdíl od lithiových baterií nehořlavé, nevýbušné a elektrolyt je prakticky nesmrtelný. Díky tomu má samotná baterie přibližně třikrát větší životnost lithiová. Recyklace není vůbec problém. Když baterie z nějakého důvodu doslouží, elektrolyt se dá vyčerpat a použít do jiné baterky. Pokud nedojde ke kontaminaci, je „nesmrtelný“. I zbytek baterie lze postavit velmi robustní, takže může sloužit celá desetiletí.
Jak funguje průtočná baterie
Průtočná baterie funguje podobně jako jiné chemické baterie. Základem jsou dvě elektrody, mezi kterými probíhá výměna nabitých částic. Obě elektrody jsou oddělené membránou, přes kterou se může dostat částice z náboje. Při nabíjení míří opačným směrem než při vybíjení.
V případě průtočné baterie se na každé straně membrány (tedy u každé elektrody) nachází vlastní okruh s elektrolytem – tedy látkou, která náboj nese. Každý se skladuje v jiné nádrži a pak pumpuje kolem elektrod. Kolem záporné a kladné elektrody mohou proudit různé kapalné elektrolyty, mohou být i chemicky totožné, jsou ovšem vždy oddělené – jeden kladný, druhý záporný.
Průtočné baterie nejsou úplnou technologickou novinkou, existují již desítky let, a to v řadě „variant“, které se liší především elektrolyty. Existují například také zinkobromidové baterie (BrZnBR) či bromidsodné baterie (PSB, Br/S), tou nejdiskutovanější variantou je ovšem vanadová redoxní baterie (označuje se často zkratkou VRB).
Jak funguje průtočná baterie.
Baterii nijak nevadí hluboké vybití a může za svou životnost absolvovat podle výrobců desítky tisíc cyklů, aniž by se její kapacita výrazně změnila. Nejmenší životnost z celého systému má obecně řečeno membrána, a i tu výrobci udávají v hodnotách přesahujících 10 tisíc cyklů. V principu pak není nemožné membránu vyměnit, i když s tím spojené náklady lze těžko odhadovat – záleží samozřejmě na ceně membrány samotné i konstrukci celé baterie.
Zatím jsme mluvili o kapacitě, tedy kolik energie baterie pojmou. Jak rychle se dokážou nabíjet a vybíjet, jaký mají výkon?
Ten určují samotné elektrody, přesněji jejich plocha. Reakce totiž probíhá jen na povrchu elektrod, nebo v blízkosti povrchu. U jiných typů baterií dochází k reakci v objemu elektrody a proto třeba lithiové mají tak velké výkony.
Na druhou stranu, naše elektrody jsou díky tomu trvanlivější. U „lionek“ se elektrody v důsledku uvnitř probíhajících chemických změn doslova trhají. To u elektrod našich průtočných bateriích nehrozí, a tak se méně opotřebovávají.
Je to ale další důvod, proč se u průtočných baterií vyplatí stavět baterie, které mají vysoký poměr mezi výkonem a celkovou v nich uskladněnou energií. Je výhodnější stavět baterky, které se vybíjejí delší dobu a vydrží v provozu několik hodin na maximální výkon. Zhruba od poměru výkonu a kapacity 1:5 a výše.
Výhody ukázala až současná krize
Co je váš příspěvek, tedy příspěvek PinFlow, k vylepšení této technologie?
Velmi jednoduše řečeno, naše baterie dokáže vyvinout větší výkon než starší typy. Odborněji řečeno má vyšší proudové hustoty, protože jsme vyvinuli novou technologii s nízkým vnitřním odporem a provedli i nějaké další úpravy, třeba co se týče rozvodu elektrolytů a struktury povrchu elektrod.
Proč průtočné baterie ještě nemáme?
Po světě už se takové systémy vyrábějí a prodávají, ty největší dokonce s velkou kapacitou stovek megawatthodin. Proti lithiovým bateriím jde ovšem o technologii méně vyspělou, věnovalo se ji méně lidí a času. Třeba proto, že pro elektroniku se prostě nehodí, a tak dává smysl pouze v souvislosti s ukládáním energie ve velkém měřítku – a to je zase relativně nový problém související třeba s využíváním obnovitelných zdrojů ve větším měřítku. A protože se teprve začínají vyrábět, neprojevují se u nich úspory z rozsahu, tedy z výroby ve velkých objemech, které pomáhají zlevňovat lithiové baterie.
Takže jsou zatím dražší?
Cena už teď do značné míry závisí na celkové velikosti systému. U malých systémů s kapacitou obvykle kolem desítek kilowatthodin vychází lehce přes tisíc euro na kilowatthodinu. U velkých systémů v měřítkách megawatthodin by cena měla klesnout nejméně na polovinu, tedy 500 euro za kilowatthodinu.
To je ale pořád více než u lithiových baterií, ne?
Pokud ano, tak nijak výrazně. Navíc má průtoná baterie jiné výhody: dlouhá životnost či vyšší požární bezpečnost. Také platí, že výhody vanadových baterií s rozměry rostou. I ty největší lithiové baterie jsou složeny z malých článků, a tak cena systému roste s kapacitou prakticky lineárně. U průtočných baterií cena roste s velikostí systému pomaleji. V opravdu velkých měřítcích by pak měly zabírat průtočné baterie i menší plochu než lithiové instalace se stejnou kapacitou.
Zatím ovšem vyrábíte baterie v podstatně menších měřítkách, že?
Postavili jsme třeba několik systémů s kapacitou 25 kilowatthodin. Ty se vejdou do takového většího boxu s necelými dvěma metry na výšku, jsou metr široké a dva metry dlouhé. Nominální výkon mají pět kilowattů.
Tím jsme si technologii vyzkoušeli jsme si a do budoucna bychom chtěli vyvíjet i ještě větší systémy o výkonu v desítkách kilowattů. Chceme je ovšem skládat už z těch osvědčených menších systémů s pětikilowattovým výkonem a velmi zjednodušeně řečeno poskládat do větších celků, které se do přepravního do kontejneru. A jak jsem říkal, hlavní výhoda průtočných baterií se ukáže u opravdu velkých baterií, takže časem bychom se určitě rádi propracovali až k nim.
Ale i když pořád mluvím o výhodách velkých rozměrů, pro naši firmu jsou v tuto chvíli velmi zajímavé i ty nejmenší články.
I práce pro vědce je byznys
Jak to myslíte?
My totiž kromě jiného prodáváme i zařízení do laboratoří pro vývojáře průtočných baterií, třeba pro experimenty s různými materiály. My jsme sami všichni původně akademičtí výzkumníci, takže pro nás to představovalo přirozený vstup do byznysu. Jsou to věci, které jsme sami používali a používáme a které si koupí vědci, kteří se problematice hodlají věnova, nebo firmy, které vyrábí komponenty pro naše baterie a potřebují kontrolovat kvalitu svých produktů. To je pro nás poměrně zajímavý byznys.
Kromě toho prodáváme i větší hotové systémy, jak jsem už popisoval, a také stále pracujeme na výzkumných projektech v oboru, takže se normálně ucházíme o granty. V rámci evropského projektu HYFLOW třeba zlepšujeme výkonovou část našich baterií jejich kombinací se superkapacitorem a v projektu HIGREEW zkoušíme nahradit vanad organickými elektrolyty. Já rád říkám, že firma stojí na těchto třech činnostech jako na třech pilířích.
A jak jste na tom s investory?
Zatím jsme vlastně moc nehledali. Rostli jsme pomalu, organicky, jak nám to situace dovolila. V tuto chvíli je nás zhruba kolem tuctu, i když je to trochu „poskládané“ z různých částečných úvazků. Samozřejmě bychom rádi, aby to nebyl konec a dostali jsme se až k výrobě ve větším měřítku. A moc rádi bychom to dělali tady v Česku.
A myslíte si, že se to povede? Nebo to dopadne jako v případě lithiových baterií a oboru bude dominovat Čína?
Já doufám, že ne. Pravdou ovšem je, že v Evropě se teď pozornost a podpora upírá především k lithiovým bateriím, tedy především směrem k podpoře jejich produkce v Evropě. Já to naprosto chápu, důvody jsou zjevné. Můžeme jen doufat, že se na průtočné baterie v této chvíli nezapomene. Jak jsem říkal, lithiové nemůžou nahradit beze zbytku, ale můžou mít velký význam pro skladování elektřiny v energetice, což je problém pro nás extrémně důležitý.
A kdy myslíte, že by se průtočné baterie mohly skutečně stát mainstreamovou záležitostí?
Já doufám, že to nebude trvat dlouho. Zatím tvoří jen zlomek instalované kapacity, ale podle mého jejich podíl poroste. Zákazníci s průtočnými bateriemi pochopitelně nemají zkušenosti a nemůžou v ně tedy ani mít důvěru. Ale já dlouhodobě říkám, že zlomová chvíle by mohla nastat, až se začnou projevovat potíže s životností lithiových systémů. Pokud se to nepovede do té doby, tak v tu chvíli by se zákazníci mohli nechat přesvědčit, že „nesmrtelná“ průtočná baterie stojí za pokus a bude pro ně pracovat i když lithiová baterie už dávno zestárla.
